A physical and spectroscopic survey of the lunar south pole to design a multibody constellation: orbit coverage and communication analysis

After the conclusion of the Apollo program in 1972 the interest towards the Moon was set aside to be partially restored in the 1990s with a series of exploration missions. While nowadays the ambition to return there with the idea of building a sustainable scientific civilization is more alive than ever. The Moon’s missions are continuously increasing and the biggest boost comes from the Artemis program with its strong international cooperation between different agencies. One region out of all to be designated as a future lunar base is that corresponding to the lunar south pole. Within this framework is placed this thesis work whose objective is to design a satellites constellation with the aim of providing coverage to the lunar south pole areas. First of all, it is briefly proposed a geo-morphological analysis of the interested region and also a spectroscopic survey held at the astrophysics and astronomic observatory of the University of Padua; the latter aims to provide a different and additional perspective in describing and selecting areas that are best suited for human settlements. Only after delving into some of the main features of the lunar soil and pointing out the most plausible regions, the actual design of orbital dynamics begins. The candidate orbits are chosen starting from the southern halo families near the lagrangian points L1 and L2 of the Earth Moon system. Farquhar conied the term halo in 1966 noting how they create an halo about the Moon observing them from Earth; the principal feature is that a spececraft orbiting in one of these halo keep continuous communication with Earth. then they are preliminarly implemented on Matlab within the Circular Restricted Three-Body Problem (CR3BP) to find out the optimal orbits which respect a series of imposed constraints such as periodicity, stability and coverage time percentage. Lastly, these initial conditions are launched on a software that uses a full ephemeris model to create a more realistic scenario. The results of this study could be useful for upcoming lunar missions when a communication or imaging facilities will became crucial for the future settlements.

La conclusione del programma Apollo nel 1972 segnò un temporaneo arresto dell’interesse verso la Luna; questo fu parzialmente rinvigorito un ventennio più tardi in chiave diversa, non più di conquista ma di conoscenza, tramite una serie di missioni esplorative e di mappatura del nostro satellite. Ad oggi, invece, l’ambizione di tornarci con l’idea di costruire una civiltà scientifica sostenibile è più viva che mai. Le missioni lunari sono in continuo aumento e indubbiamente la spinta maggiore arriva dal programma Artemis, forte di una notevole cooperazione internazionale tra le varie agenzie. Una regione su tutte ad essere stata indicata come futuro insediamento è quella corrispondente al polo sud lunare. Proprio su questo contesto si colloca questo lavoro di tesi. L’obiettivo è quello di progettare una costellazione di satelliti con lo scopo di garantire la migliore copertura possibile delle aree del polo sud lunare. Inizialmente, è presente una breve analisi geo-morfologica delle regioni di interesse coadiuvata da un’indagine spettroscopica svolta presso l’Osservatorio di Astrofisica e Astronomia dell’Università di Padova; quest’ultima mira a fornire una prospettiva diversa ed ulteriore nella descrizione e nella scelta delle aree che meglio si prestano ad ospitare insediamenti umani. Solamente dopo aver approfondito alcune delle caratteristiche principali del suolo lunare ed aver indicato le regioni più plausibili è possibile passare alla progettazione effettiva della dinamica orbitale. Le orbite candidate sono state scelte partendo dalle famiglie di orbite halo sud nell’intorno dei punti lagrangiani L1 e L2 del sistema Terra Luna. Farquhar coniò il termine halo nel 1966 notando come assumessero una forma ad aureola rispetto alla Luna osservandole da Terra; la loro peculiarità principale è che uno spacecraft posto in una di esse mantiene comunicazione continua con la Terra. Queste sono state quindi implementate in maniera preliminare su Matlab all’interno del problema circolare ristretto dei tre corpi al fine di ricavare il compromesso ottimale che rispetti una serie di vincoli imposti quali periodicità, stabilità e copertura temporale locale. Infine, le condizioni iniziali trovate vengono concretizzate in un software dedicato che sfrutta un modello ad elevata accuratezza per creare uno scenario il più realistico possibile. I risultati di questo studio potrebbero rivelarsi utili per le future missioni lunari avvenire qualora infrastrutture per garantire copertura di comunicazione e imaging risulteranno indispensabili per le basi del futuro.